Rödförskjutning och Ålder?

Ibland använder astronomer och kosmologer ordet rödförskjutning som om det handlar om avstånd eller ålder, ju högre z (som den ofta betecknas) desto äldre eller längre bort. Hur kommer det sig? Dopplereffekten har väl att göra med förändring av våglängd eller frekvens som en konsekvens av relativ rörelse?
Ett exempel som de flesta av oss hört i vardagen är när en ambulans, polisbil eller brandbil åker mot oss eller bort ifrån oss med sirenen på, då låter det som att dess ton förändras.

Dopplereffekten

Christian Doppler var en fysiker och matematiker från Österrike under första halvan av 1800-talet. I ett arbete som han presenterade början av 1840-talet föreslog han en förändring i frekvensen hos en vågrörelse för en observatör som rör sig i förhållande till vågens källa. Ifall observatören rör sig mot källan blir frekvensen högre och våglängden kortare, och ifall observatören rör sig från källan blir frekvensen lägre och våglängden längre. Enligt Doppler borde den här effekten kunna uppstå hos alla typer av vågrörelser.
Hypotesen bekräftades för akustiska vågor inom ett par år efter Doppler presenterade sitt arbete, och för optiska vågor ungefär 1870. Den första dokumenterade användningen av begreppet rödförskjutning var av amerikanen Walter Adams 1908.

Terminologi

Begreppen blåförskjutning och rödförskjutning har sin grund i de optiska våglängderna och att de blir kortare (vilket innebär blåare) när ljuskällan rör sig mot observatören och längre (vilket innebär rödare) när ljuskällan rör sig från observatören. Samma namnkonvention används inom hela det elektromagnetiska spektrumet. Även för en våg som redan har längre våglängder än rött (infrarött, mikrovågor eller radio) innebär rödförskjutning att dess våglängd blir längre, och för en våg som har kortare våglängd än blå (ultraviolett, röntgen eller gamma) innebär blåförskjutning att dess våglängd blir kortare.

Våra närmaste grannar

Sedan vi förstod att vi kan betrakta stjärnors spektrum för att se vad deras ytskikt består av kan vi även avgöra ifall de rör sig radiellt i förhållande till oss genom att se ifall deras ljus påverkas av Dopplereffekten. Den metoden kan även användas för våra närmaste granngalaxer i den lokala galaxhopen.
Den här tekniken har varit känd i drygt 150 år, och ungefär 1870 mätte den brittiska astronomen William Huggins en stjärnas hastighet bort från jorden.

Speciell relativitet

Sedan Einstein presenterat sin speciella relativitetsteori har en version av formlerna för Dopplereffekten anpassats för rörelse i hastigheter jämförbara med ljusets. Det handlar fortfarande om samma fenomen, och formlerna har justerats förhållandevis lite, med den viktiga skillnaden att man tar hänsyn till vad Einsteins ramverk erbjuder för tid och rum vid höga hastigheter. Den intresserade läsaren kan läsa mer om Minkowski-geometri som används inom speciell relativitet.

Allmän relativitet

Rödförskjutning uppstår även i gravitationsfält, och inom relativitetsteorierna förekommer bland annat tidsdilatation, och denna form av Dopplereffekten kallas gravitationell rödförskjutning eller Einstein-förskjutning.
Man kan resonera sig fram till den här typen av rödförskjutning utifrån ekvivalensprincipen och den speciella relativitetsteorin.

Ifall man approximerar källan för ett gravitationsfält med en sfärisk, oladdad massa som inte roterar så kan man utgå från den lösning som Karl Schwarzschild presenterade till Einsteins allmänna relativitet inom ett år efter Albert presenterade sina resultat. Effekten är mätbar för massor i jordens storlek, men betydligt mer märkbar i närheten av stora masskoncentrationer som en neutronstjärna eller ett svart hål.

En påminnelse eller förtydligande i sammanhanget är att rödförskjutning innebär att våglängden blir längre, frekvensen blir lägre och energin hos fotonerna blir lägre. Man kanske kan ha någon form av intuitiv känsla av minskat energiinnehåll i gravitationsfält.
Den intresserade läsaren kan läsa mer om Schwarzschild-geometri som förekommer inom allmän relativitet då ganska många masskoncentrationer kan approximeras med sfäriska, oladdade och ickeroterande massor.

Edwin Hubble

Edwin Hubble var en amerikansk astronom verksam under första halvan av 1900-talet. Under 1920-talet arbetade han vid Mount Wilson observatoriet och analyserade bland annat 'spiral-nebulosor' som de kallades vid den tiden. Hubble brukar anses vara en viktig person när det gäller att visa att dessa objekt är galaxer och ligger bortom våran egen galax. Den amerikanska astronomen Vesto Slipher hade gjort mätningar som anses vara de första bevisen för den idén ungefär tio år tidigare.

Hubble analyserade även Dopplereffekten hos galaxers spektrum och noterade att rödförskjutningen hos de flesta att galaxer verkar öka ju längre ifrån oss de ligger. Han presenterade ett linjärt samband baserat på de mätdata som han tog fram mellan galaxers avstånd från oss och deras hastighet. Konstanten i den relationen är döpt efter honom - Hubblekonstanten - och dess värde har reviderats och förfinats genom ett stort antal mätningar under decennierna sedan slutet av 1920-talet. Konstanten brukar betecknas H0 och dess värde anses idag vara ungefär 70 km/s per Mpc, vilket alltså innebär att den förväntade hastigheten hos en galax ökar med 70 km per sekund för varje megaparsek längre bort den befinner sig.

Det är i det här sammanhanget som grunden finns till att högre rödförskjutning hos galaxer innebär en indikation på att de är längre bort, det vill säga en koppling mellan rödförskjutning och avstånd. Och saker som ligger längre bort i det observerbara universum anses vara äldre, ju längre tid ljus har varit på väg mot oss desto tidigare hände det vi ser. Högre rödförskjutning innebär således även högre ålder.

Det innebär INTE att vare sig vårat solsystem eller våran galax har någon särställning på något sätt. Vi ligger INTE i universums mittpunkt eller något dylikt. Majoriteten av alla galaxer är inte bara på väg bort från oss, de flesta galaxer är på väg bort från de flesta andra galaxer. Eftersom majoriteten av alla galaxer är på väg bort från varandra så är en möjlig tolkning att universum expanderar. Två vanligt förekommande exempel för att visualisera den idén är:

• Tänk dig ett antal prickar på en ballong som man blåser upp, medan ballongen växer i storlek så kommer varje prick längre ifrån de övriga prickarna.
• Tänk dig en deg där man placerar ut ett antal russin, och vartefter degen jäser och blir större så kommer varje russin längre ifrån övriga russin.

Den här relationen brukar kallas för Hubbles lag, men den presenteras redan tidigare av den belgiska astronomen Georges Lemaitre som resonerade sig fram till idén baserat på den allmänna relativitetsteorin, så rent idéhistorisk borde den kanske kallas Lemaitres lag istället.
Den här idén har bidragit till två relaterade koncept i kosmologin sedan dess:

• Universum tycks expandera. Innebär det att den kommer fortsätta att expandera för alltid? Eller kommer hastigheten minska? Kommer den isåfall minska så att expansionen bromsar in till nästan noll, eller kommer den till och med att vända och börja dras ihop igen? Vilka mekanismer är inblandade i expansionen? Nobelpriset i fysik 2011 är relaterat till den frågan.
• Ifall universum expanderar idag borde det innebära att dess beståndsdelar var närmare varandra igår. Ifall man extrapolerar den iden tillräckligt långt bakåt i tiden skulle det kunna innebära att universum var mycket tätare för väldigt länge sedan. Och det är ur de tankarna modellen för Big Bang har växt fram. Under decennierna sedan de tankarna först presenterades har många diskussioner förekommit och andra alternativa tolkningar presenterats. Big Bang teorin har förfinats, och anses idag av de flesta inom området vara den modell som hänger ihop bäst med de observationer som finns tillgängliga och övriga teorier inom den moderna fysiken.

Kosmologi och universums expansion

Inom kosmologin under de senaste hundra åren har funderingar kring universums geometri och form varit relevanta. Kosmologer idag menar att även universums expansion bidrar till rödförskjutning, och den brukar kallas kosmisk rödförskjutning. En viktig skillnad här är alltså att rödförskjutningen är en konsekvens av geometriska förändringar hos universum snarare än att observatören rör sig i förhållande till källan för den elektromagnetiska strålning man betraktar.

Även här innebär hög rödförskjutning att man observerar något som hänt för länge sedan och ligger långt bort.

Det finns många intressanta saker inom modern kosmologi, och den intresserade läsaren kan leta upp mer information om till exempel Alexander Friedmann, Georges Lemaitre, Howard Robertson, Arthur Walker och Friedmann-Robertson-Walker-metriken.